螺旋焊管在线管径测量系统的初步研制..docVIP

一种新型螺旋焊管在线管径测量系统的初探 山东胜利钢管公司 代志健 目前，在螺旋焊管实际生产中，在线管径数据的获得还停留在手工测量的阶段，存在人工成本高、误差大、频次低的弊端，已经不适应螺旋焊管高速度、高精度生产的需求。 在吸取了国内外诸多测量方案的宝贵经验，结合生产实际和现有测控技术设备，胜利钢管有限公司和山东某高校联合开发了一套新的螺旋焊管在线测量系统。 （一）、螺旋焊管在线测量系统原理 采用摄像机中心光轴与激光平面垂直的方法进行管径。如图1所示，激光平面与钢管中心轴线有一定夹角，设夹角为θ，θ不为90°，激光平面就会与钢管相交形成一条相贯线，摄像机的中心光轴与激光平面垂直，拍摄两者形成的激光线，再根据之前对摄像机的标定，进行钢管直径的拟合。 图1 原理示意图 方案 1 实验平台 如图，摄像机中心光轴与激光平面垂直，激光平面与钢管呈一定夹角θ，摄像机、激光器、钢管、标定靶标可以通过锁紧装置固定，靶标的放置在激光平面内，摄像机可以沿与激光垂直平行的方向运动，方便拍摄不同管径的钢管。 图2 实验平台示意图 2 摄像机标定 使用平面网格靶标，靶标要求放置在激光平面内，保证摄像机拍到的网格基本无畸变，方便更精确的标定激光线。标定时，根据拍摄的网格图像，计算横纵方向每个像素代表的实际长度dx、dydx(dy)=网格实际长度/网格像素数 激光中心线的提取与处理 激光线照射钢管后，拍摄得到激光线，中心线提取方法数学形态细化、灰度最高点、灰度突变点取平均值。 得到激光线后，根据标定结果，把激光的图像坐标转换成实际的尺寸； 根据夹角θ，把激光点投影到与钢管中心轴垂直的面上，圆拟合得到管径。 拟合方法：最小二乘法Hough变换 4误差分析与改进措施 误差来源 措施 1 激光线与钢管之间的夹角θ的精确性 根据投影关系，分析θ对测量产生的误差，确定对测量影响最小的θ的角度； 尽可能精确测量θ。 2 摄像机标定时，靶标与激光平的不完全重合 改进装置，放置靶标的设计一套垂直的装夹工具，装夹工具，激光线照射在线上。 3 钢管的不圆 增加测量装置：钢管两侧各一套测量装置； 测量装置沿钢管轴向同步运动，周期内测量数据取均值或中值。 4 钢管的焊缝 实验平台实物图 此实验装置还未经过仔细调整，所以导致平台比较大。由于目前拍摄激光线的摄相机镜头采用的是焦距比较大的镜头，所以导致相机距离钢管比较远时，才能拍摄到足够大的激光线图像。根据工厂实际使用时，可以根据适当的距离使用合适焦距的镜头，这样就能大幅度拉近相机与钢管之间的距离。同时激光器在保证激光平面与相机中心轴垂直的情况下，可以尽量靠近钢管，这样可以使钢管上的激光线更细一些，在之后的中心线提取和圆拟合过程中更精确一些。 由于之前的角度测量采用的手工测量方式，误差大，近期采用的角度测量方案是摄像机从上往下垂直拍摄激光线和钢管边缘，通过图像处理得到激光平面与钢管之间的夹角。 2、实验过程 2.1标定图片 标定靶材采用的是网格图片，每个网格尺寸是10mm×10mm，靶标与激光平面重合，通过标定可以得到横向和纵向每像素代表的实际距离，目前得到的标定结果如下： 横向：0.0651mm/像素 纵向：0.0651mm/像素 根据标定结果和拍摄的激光线图像，可以把激光线尺寸转换成实际的尺寸，再根据测量得到的钢管与激光平面之间的夹角，就可以投影到垂直钢管中心轴方向的平面上，圆拟合得到钢管半径。 2.2 拍摄的激光线图片 上图拍摄的激光线不包括焊缝处，下图包括激光线，焊缝位置大约在图像的中部。焊管在旋转过程连续拍摄，试验阶段由于手工转动钢管，所以每次转动的角度不一样，因此在每次拍摄图片的数量不一样，但只是7到8幅左右，其中包括焊缝处的图像。 2.3垂直拍摄的角度测量图片 白色背景上的激光线与钢管边缘之间的锐角，就是钢管与激光平面之间的测量角度，由于钢管在旋转过程中角度时刻在发生细微的变化，所以在拍摄激光图片的同时，另外一架相机同时从上往下拍摄获取角度信息。 2.4实验数据 增加测量角度装置之后，前几次拍摄过程中发现，拍摄到的平面上的激光线和钢管上的激光线不是在一条直线上，猜测可能是由于上方的相机中心轴与激光平面有一定夹角所致，调整过相机与激光器之后，再次进行测量。 以下数据是钢管旋转一周过程中连续拍摄8幅图像的半径数据：108.7518mm，113.2227mm，106.6832 mm，88.8995mm，97.9082mm，111.5942mm，108.3939 mm，109.1659mm 。 其中第四幅图像中间部分包括焊缝，所以第四个半径比较小，在目前的测量中不包括焊缝部分，因此把第四幅去掉之后，剩下其余的图像得到平均半径107.9600mm，周长大约678.3327mm。